某雷达大功率脉冲行波管可靠性研究

戴春华

(海军驻扬州723所军事代表室，扬州 225001)



某雷达大功率脉冲行波管可靠性研究

戴春华

(海军驻扬州723所军事代表室，扬州 225001)

摘要：就各种影响某雷达大功率脉冲行波管可靠性的因素进行研究，通过分析导致大功率脉冲行波管失效的种类和成因，提出了提高设计冗余量、优化内部结构、工艺改进、材料选择和定期维护等具体的解决手段。

关键词：雷达;脉冲行波管;可靠性

0引言

目前，随着战场电磁环境的复杂化，雷达的威力和精度面临着巨大的考验，行波管作为雷达整机的核心器件，对于大幅度提升雷达整机的性能至关重要。新材料和新工艺的进步，栅控大功率脉冲行波管已经发展到相当的水平，为实现大功率、长寿命、低噪声、宽频带和高可靠的行波管，在行波管设计和生产的各阶段对工艺、材料和结构等方面应严格把关。图1为大功率脉冲行波管结构示意图。

图1　大功率脉冲行波管结构示意图

1国内外大功率脉冲行波管可靠性现状

我国的大功率行波管在可靠性数据上与美国和欧洲国家存在一定的差距，实际使用情况更是有较大的差距，以某型美国放大器和国内指标相当的放大器比较为例，美国的放大器可连续20余年工作无故障，20余年后由于电源故障导致放大器无法使用，且经测试行波管的各项指标均未恶化；而国内的放大器故障频发，行波管连续工作1 000 h都无法保证。当然行波管的可靠性与功率和频率有关，功率越大，频率越高，可靠性越低。如某雷达用大功率脉冲行波管寿命指标为1 000 h，但很少有行波管可以达到寿命指标，该型大部分行波管工作500 h后性能就开始下降，少部分行波管寿命只有200 h左右。近几年，随着装备可靠性要求逐步提高，对行波管的可靠性要求也在逐年提升[1-3]。

2大功率脉冲行波管失效的种类和成因

根据对应用中的某大功率脉冲行波管进行失效原因统计，得到表1。

表1　某大功率脉冲行波管失效原因

从图2可以看出，阴极发射能力下降、灯丝断、偶发打火等是造成某大功率脉冲行波管失效的主要原因，下面分别对这几种失效原因进行分析说明。

图2　某大功率脉冲行波管失效原因图

2.1阴极发射能力下降

阴极温度过高时，容易造成阴极蒸发。阴极蒸发易导致阴极发射能力下降，进而造成射频功率下降，最终导致行波管失效。影响阴极发射能力的原因主要有两方面：(1)阴极材料缺陷，采用不同材料制备的阴极，比如采用A盐和B盐制备的阴极，在相同的阴极温度下，A盐制备的阴极蒸发明显小于B盐；(2)行波管由于有输出功率的要求，需提高阴极的温度，以改善阴极发射电子的能力，这在短时间内可提高射频输出功率，但过高的阴极温度容易造成阴极蒸发，一般来说，阴极的正常工作温度为1 050 ℃，阴极温度每升高50 ℃，阴极寿命减半。长时间提高阴极温度，将会导致行波管迅速失效。图3为阴极温度和寿命关系示意图。

图3　阴极温度和寿命关系示意图

2.2热丝断

由于热冲击或承受电压过高易导致热丝断故障，该类型故障是导致行波管过早失效的主要原因之一。热丝熔断导致热丝无法继续为阴极加热，并且无法进行维修，一般情况下，导致热丝断主要有3个方面的原因：(1)焊接原因。热丝的焊接面由2种不同的材料构成，其膨胀系数不一致。若接触面焊接不牢，在热丝受到长时间的热冲击(如反复的加电)时，焊接面处容易出现接触不良，这时接触面上的电阻将逐渐变大，最终热丝断开造成行波管失效。(2)热丝电源电压偏高。热丝电源电压偏高易导致热丝电流过大，超出热丝承受范围，最终由于过热等原因导致热丝熔断。(3)材料原因。热丝的材料如果有杂质或气孔，当热丝有电流通过时，电压和电流应力将施加在该处，造成热丝熔断，行波管失效。

2.3偶发打火

偶发打火会造成电子枪区域瞬间真空度下降，致使阴极中毒，表现为阴极受损、发射电流变小，行波管无法继续使用。打火主要有以下原因：(1)电极表面的微小毛刺、加工过程中残留的微小颗粒、生产线不洁净造成的灰尘、阴极蒸发在电极表面上形成的松散薄膜、来自热丝绝缘陶瓷材料的粒子、化学刻蚀的残留粒子都有可能导致真空中的直流击穿，进而导致行波管偶发打火；(2)行波管内无可避免的会存在金属、绝缘体与真空之间的三重交汇点，这种三重交汇点是真空器件最薄弱的环节之一，由于该处形成的电子发射机理以及绝缘体的表面效应，绝缘体表面的击穿强度要远低于真空间隙或等距离的固态绝缘体，因此在三重交汇点有可能会出现偶发打火现象[4]。

2.4电子枪漏电

在电子枪壳封接时，高温会使焊料中的“易于活动”的导电物质“爬到”高压绝缘陶瓷的内壁。此后，在管子工作过程中，这些“易于活动的物质”还要继续沿着绝缘陶瓷表面“爬动”，进一步缩短绝缘距离。同时，由于阴极物质会不断蒸发，进一步把导电物质附着在电子枪壳绝缘陶瓷的内表面上，导电物质会不断叠加。导电物质扩散和阴极蒸发到一定程度便会造成高压击穿。阴极材料不纯或制造工艺不严格时，在工作温度下阴极蒸发较为严重。一般来说，这种漏电到击穿的危险性随时间的推移而上升。

2.5自激振荡

行波管自激指的是无激励的情况下，行波管输出有功率，输出功率的频点固定。当然，行波管自激机理较为复杂，自激主要有2个方面的原因：(1)电参数设置不合理，或电源自激振荡，导致行波管偏离正常工作状态；(2)行波管自身设计缺陷，高频系统存在泄漏或存在谐振频率，导致行波管自激振荡。

3大功率脉冲行波管可靠性的提高

3.1大功率脉冲行波管设计方面

(1) 提高设计冗余量,优化内部结构

首先要引入计算机辅助设计手段。随着计算机软件及硬件的发展，计算机辅助设计已成为大功率脉冲行波管设计的主要手段之一，可以实现行波管从电子枪到收集极的一体式设计。在设计时使用多种电磁学、力学、热学仿真软件，模拟行波管在各种环境条件下的工作状态，找到行波管内部结构设计的薄弱点，有针对性地进行改进，优化行波管内部结构，可以大幅提高行波管使用的可靠性。

(2) 关键材料的选择及工艺改进

某些关键材料(如阴极材料及热丝材料)的选择在一定程度上决定了大功率脉冲行波管的寿命，需要结合行波管特点及实际使用环境进行选择，可以在满足使用的情况下提高行波管的使用寿命及可靠性。

为了预防打火现象的发生，需要对行波管的部分制造工艺进行优化改进。如为预防电子枪漏电，需要在枪壳焊接时选用温度较高的焊料来预防蒸发，在上整管前一定要对电子枪壳进行处理，去除因封接带来的导电层。对于蒸发严重的阴极，在装管前应实施预先蒸散的工艺。

图4为电子枪组件热、力仿真示意图，图5为采用改进工艺加工的电子枪电极零件及仿真图。

图4　电子枪组件热、力仿真示意图

图5　采用改进工艺加工的电子枪电极零件及仿真图

从图4、图5可以看出，通过工艺改进后制作的电子枪电极零件表面非常光洁，通过对仿真表面极间电场强度明显降低，可以减小电子枪打火的概率。

3.2大功率脉冲行波管使用方面

将大功率脉冲行波管的某些故障归因于管子在设计和制造过程中问题的同时，还有许多故障源于整机系统的设计不当或保护功能过差。此外，还存在着由外部损坏引起的故障，显然这是由安装和使用不当造成的。因此，为提高行波管的可靠性，合理的使用也很重要。例如：行波管工作时最佳工作点的测量及选择，在使用中用研双方需要细化明确阴

极工作点的测试方法，充分考虑到阴极电压在发射机中的线压降等影响因素，使行波管工作在最佳状态。

大功率脉冲行波管的核心工作区域为超高真空环境，存在着物理热电子的发射、传输和接收过程，有极高的工作电压和聚焦磁场，有众多的真空密封焊缝，使用材料涵盖了70%以上的已知元素等，这些特有的构造特点使得行波管存在着苛刻的库房及整机维护要求。必须按照制造方提供的规范进行例行维护，才能保证行波管一直处于良好的使用状态。

4结束语

本文分析了国内外大功率行波管的可靠性现状，通过对比发现，国内行波管的可靠性指标与欧美国家行波管还存在一定的差距。重点介绍了导致大功率脉冲行波管失效的主要种类，并就行波管可靠性的提高提出了具体的改进措施和方向。

参考文献

[1]王秀连.行波管放大器的保养与维护[J].科技咨询，2014(11)：11-12.

[2]苏振华，杨家铿，张增照.行波管可靠性失效率模型的研究[J].真空电子技术，1997(6)：55-60.

[3]张小平.残余气体对微波电子管寿命的影响[J].真空电子技术，2007(3)：42-44.

[4]高陇桥，刘敏玉，刘征.陶瓷-金属封接技术的可靠性增长[J].真空电子技术，2009(4)：1-3.

Research into Reliability of High-power Pulse TWT in A Certain Radar

DAI Chun-hua

(Naval Representative Office Based in The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper studies various factors influencing the reliability of high-power pulse traveling wave tube (TWT) in a certain radar,analyzes the classification and cause leading the failure of high-power pulse TWT,provides specific solution means such as increase of design redundancy,optimization of internal structure,technics improvement,material selection and periodical maintenance,etc.

Key words:radar;pulse traveling wave tube;reliability

收稿日期:2015-10-08

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.06.010

中图分类号：TN124

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)06-0039-03